Saltande gator i Milwaukee. Michael Pereckas, CC BY-SA 

Varje vinter gäller lokala regeringar över hela USA miljoner ton vägsalt för att hålla gatorna navigerbara under snö och is stormar. Avrinning från smältande snö tar vägaralt i strömmar och sjöar och orsakar många vattenkroppar att ha extraordinärt hög salthalt.

På Rensselaer Polytechnic Institute, min kollega Rick Relyea och hans lab arbetar med att kvantifiera hur ökad salthalt påverkar ekosystemen. Inte överraskande har de funnit att hög salthalt har negativa effekter på många arter. De har också upptäckt att vissa arter har förmåga att hantera dessa höjningar i salthalten.

Men denna förmåga kommer till ett pris. I en senare studie analyserade Rick och jag hur en vanlig art av zooplankton, Daphnia pulex, anpassar sig till ökande nivåer av vägsalt. Vi fann att denna exponering påverkade en viktig biologisk rytm: Den cirkadiska klockan, som kan regleras Daphniafoder och predation undvikande beteenden. Eftersom många fiskar byts ut på Daphnia, denna effekt kan ha krusningar i hela ekosystemet. Vårt arbete ställer också frågor om huruvida salt eller andra miljöföroreningar kan ha liknande effekter på den mänskliga cirkadiska klockan.

Dagliga biologiska rytmer och cirkadian klockan

Vid studier av hur saltsalt påverkar akvatiska ekosystem visade Relyea labbet det Daphnia pulex Kan anpassa sig till hantera måttliga exponeringar på så lite som två och en halv månad. Dessa nivåer varierade från 15 milligram klorid (ett byggsten av salt) per liter vatten till en hög av 1,000 milligram per liter - en nivå som finns i högt förorenade sjöar i Nordamerika.

En organisms förmåga att anpassa sig till något i sin miljö kan emellertid också åtföljas av negativa avvägningar. Mitt laboratoriums samarbete med Rick började i ett försök att identifiera dessa avvägningar i saltanpassade Daphnia.

In mitt labb, vi studerar hur våra cirkadiska rytmer Låt oss hålla koll på tiden. Vi undersöker hur molekylerna i våra celler fungerar tillsammans för att kryssa som en klocka. Dessa cirkadiska rytmer tillåter en organism att förutse 24-timsoscillationer i sin omgivning, såsom förändringar från ljus (dagtid) till mörkt (natt) och är nödvändigt för en organisms lämplighet.

Rick och jag antog att anpassning till hög salthalt kunde störa Daphnia s cirkadiska rytmer baserade på senaste bevis som visar att andra miljöföroreningar kan störa cirkadian beteende. Ett viktigt beteende i Daphnia den där kan styras av cirkadian klockan är diel vertikal migration - Den största dagliga biomassamigrationen på jorden, som förekommer i oceaner, vikar och sjöar. Plankton och fisk migrera ner till djupare vatten under dagen för att undvika rovdjur och solskador och backa upp mot ytan på natten för att mata.

Med tanke på vad vi vet om cirkadian funktion, skulle det vara logiskt att anta att exponering för förorening inte skulle påverka en organisms cirkadiska rytmer. Medan circadian klockor kan införliva miljöinformation för att berätta om klockan är de kraftigt buffrad mot de flesta miljöeffekter.

För att förstå vikten av denna buffring, föreställ dig att tidpunkten för organismens dagslängd svarade på temperaturen i omgivningen. Värme påskyndar molekylära reaktioner, så på heta dagar kan organismens 24-timmytryt bli 20 timmar, och på kalla dagar kan det bli 28 timmar. I själva verket skulle organismen ha en termometer, inte en klocka.

Anpassning till föroreningar påverkar viktiga cirkadiska gener

För att bestämma huruvida klockstörningen är en avvägning mot föroreningsanpassning, måste vi först fastställa det Daphnia styrs av en cirkadisk klocka. För att göra detta identifierade vi gener i Daphnia som liknar två gener, känd som perioden och klocka, i en organism som fungerar som ett cirkadianmodelsystem: Drosophila melanogaster, den gemensamma fruktflugan.

Vi spårade nivåerna på perioden och klocka in Daphnia, hålla organismerna i konstant mörker för att säkerställa att en ljusstimulans inte påverkar dessa nivåer. Våra data visade att nivåerna på perioden och klocka varierad över tiden med en 24-timmars rytm - en tydlig indikation på att Daphnia ha en funktionell cirkadisk klocka.

Vi spårade också samma gener i populationer av Daphnia som hade anpassat sig till ökad salthalt. Mycket till min förvåning upptäckte vi att den dagliga variationen av perioden och klocka nivåer försämrades direkt med Salthalten i Daphnia var anpassade till. Med andra ord, som Daphnia anpassad till högre salthaltnivåer, visade de mindre variation i nivåerna av perioden och klocka över dagen. Detta visade det Daphniaklockan påverkas faktiskt av exponering för föroreningar.

Daphnia och andra plankton är bland de vanligaste organismerna på jorden och spelar kritiska ekologiska roller.

{youtube}https://youtu.be/ziGtmjiUlJQ{/youtube}

Vi förstår för närvarande inte vad som orsakar denna effekt, men förhållandet mellan salthaltenivåerna och minskad variation i nivåerna av perioden och klocka erbjuder en ledtråd. Vi vet att exponering för föroreningar orsakar Daphnia att genomgå epigenetisk reglering - Kemiska förändringar som påverkar deras geners funktion utan att förändra deras DNA. Och epigenetiska förändringar visar ofta ett gradvis svar, och blir mer uttalad när orsaksfaktorn ökar. Därför är det troligt att hög salthalt inducerar kemiska förändringar genom dessa epigenetiska mekanismer i Daphnia för att undertrycka funktionen av sin cirkadiska klocka.

De breda effekterna av cirkadiska klockstörningar

Vi vet att miljöförhållandena kan påverka vad klockan reglerar i många arter. Till exempel byta socker som svampen Neurospora crassa växer på ändrar vilka beteenden klockan reglerar. Men vi vet att den här studien är den första som visar att gener av en organisms klocka kan påverkas direkt genom att anpassa sig till en miljöförorening. Vårt resultat tyder på att precis som kugghjulen hos en mekanisk klocka kan rosta över tiden, kan cirkadian klockan permanent påverkas av miljöexponering.

Denna forskning har viktiga konsekvenser. Först om Daphnia s cirkadian klocka reglerar sitt deltagande i diel vertikal migration, då störning klockan kan betyda det Daphnia migrera inte i vattenkolonnen. Daphnia är viktiga konsumenter av alger och en matkälla för många fiskar, vilket stör deras cirkadiska rytmer kan påverka hela ekosystemet.

För det andra visar våra resultat att miljöförorening kan ha bredare effekter på människor än vad som tidigare förstått. Gener och processer i Daphnia s klockan är mycket lik de som reglerar klockan hos människor. Våra cirkadiska rytmer styr gener som skapar cellulära svängningar som påverkar cellfunktion, uppdelning och tillväxt, tillsammans med fysiologiska parametrar som kroppstemperatur och immunsvar.

Den mänskliga cirkadiska klockan reglerar cyklerna hos många kroppsfunktioner. NIH

När dessa rytmer störs hos människor, ser vi ökade frekvenser av cancer, diabetes, fetma, hjärtsjukdom, depression och många andra sjukdomar. Vårt arbete tyder på att exponering för miljöföroreningar kan vara deprimerande funktionen hos klockor, vilket kan leda till ökad sjukdom.

Vi fortsätter vårt arbete genom att studera hur störningen av Daphniaklockan påverkar sitt deltagande i diel vertikal migration. Vi arbetar också för att bestämma de bakomliggande orsakerna till dessa förändringar, för att fastställa huruvida och hur detta kan hända i människans hjärna. De effekter vi har hittat i Daphnia visa att även en enkel substans som salt kan ha extremt komplexa effekter på levande organismer.

Om författaren

Jennifer Marie Hurley, biträdande professor i biologiska vetenskaper, Rensselaer Polytechnic Institute

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

Relaterade böcker:

at InnerSelf Market och Amazon